復(fù)雜產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)脆弱性研究

摘要：文章應(yīng)用投入產(chǎn)出理論與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，以2010年投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)建了復(fù)雜產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)模型，以工業(yè)產(chǎn)業(yè)為例，發(fā)現(xiàn)了復(fù)雜產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)的小世界特性。針對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征，利用概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法建立了復(fù)雜產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)脆弱性分析框架，對(duì)工業(yè)系統(tǒng)24個(gè)產(chǎn)業(yè)綜合脆弱性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，金屬冶煉、化學(xué)工業(yè)等傳統(tǒng)工業(yè)脆弱性較高，水的生產(chǎn)與制造、廢品廢料等產(chǎn)業(yè)綜合脆弱性較低，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整勢(shì)在必行。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)；脆弱性；工業(yè)

一、 引言

21世紀(jì)前10年是世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的黃金期，也是矛盾的凸顯期。世界各國(guó)之間的經(jīng)濟(jì)依賴性和互補(bǔ)性日益增強(qiáng)，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，產(chǎn)業(yè)之間的聯(lián)系漸趨緊密。在這種復(fù)雜的背景下，我國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍然迎來(lái)了振興時(shí)期。2001至2011的11年間是新中國(guó)成立以來(lái)發(fā)展最快、周期波動(dòng)幅度最小的時(shí)期。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值年平均增長(zhǎng)10.1%，其中第一產(chǎn)業(yè)年平均增長(zhǎng)4.2%，第二產(chǎn)業(yè)年平均增長(zhǎng)11.4%，第三產(chǎn)業(yè)年平均增長(zhǎng)10.5%，其中工業(yè)的增速快于全部三次產(chǎn)業(yè)（見圖1）。

近十年來(lái)我國(guó)的發(fā)展方式上主要依靠外部投入和國(guó)外市場(chǎng)推動(dòng)國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，過(guò)渡重視經(jīng)濟(jì)數(shù)量的增長(zhǎng)，對(duì)質(zhì)量強(qiáng)調(diào)和重視不夠，形成實(shí)質(zhì)上“增長(zhǎng)優(yōu)先”的導(dǎo)向。20世紀(jì)90年代，我國(guó)一躍成為全球最大的鋼鐵生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，2011年鋼鐵產(chǎn)量達(dá)到6.955億噸。2009年原油產(chǎn)量1.89億噸，成為世界第四大產(chǎn)油國(guó)，2011年乙烯產(chǎn)能達(dá)1 527萬(wàn)噸，居世界第二位。舊工業(yè)體系的產(chǎn)業(yè)發(fā)展是以采掘、冶煉天然化學(xué)物質(zhì)并進(jìn)而加工制造各種人工產(chǎn)品為特征，最終導(dǎo)致天然化學(xué)資源匱乏以及人為形成的化學(xué)污染、生態(tài)惡化，因此是不可持續(xù)的。此外，隨著各國(guó)進(jìn)入經(jīng)濟(jì)發(fā)展的轉(zhuǎn)型期和新技術(shù)革命孕育期，世界經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的復(fù)雜性、多邊性和技術(shù)革命帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型急迫性，都使我國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型壓力進(jìn)一步加大。十六大提出的我國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向是新型工業(yè)化道路，即“堅(jiān)持以信息化帶動(dòng)工業(yè)化，以工業(yè)化促進(jìn)信息化，走出一條科技含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、資源消耗低、環(huán)境污染少、人力資源優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮的工業(yè)化道路”。受國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型以及國(guó)際經(jīng)濟(jì)環(huán)境的壓力，產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的脆弱性問(wèn)題在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都會(huì)是有關(guān)經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展的重要議題。

二、 復(fù)雜產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)脆弱性模型構(gòu)建

將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論引用到產(chǎn)業(yè)分析中時(shí)一種新的嘗試，現(xiàn)實(shí)世界存在著大量的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，社會(huì)、交通以及經(jīng)濟(jì)等系統(tǒng)都能夠用各種各樣的“網(wǎng)絡(luò)”加以定量描述。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)通過(guò)特征指標(biāo)來(lái)刻畫其網(wǎng)絡(luò)特征，主要包括基本特性、靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)特征。產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)是由物質(zhì)生產(chǎn)部門和非物質(zhì)生產(chǎn)部門等眾多產(chǎn)業(yè)組成，它們之間存在著相互依存、相互制約的復(fù)雜關(guān)系。產(chǎn)業(yè)之間相互關(guān)聯(lián)是指產(chǎn)業(yè)間以各種投入品和產(chǎn)出品為連接紐帶的技術(shù)經(jīng)濟(jì)聯(lián)系。

將產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)中的每個(gè)產(chǎn)業(yè)部門看作一個(gè)節(jié)點(diǎn)，產(chǎn)業(yè)之間所存在的投入產(chǎn)出關(guān)系當(dāng)作邊，由此構(gòu)成了一個(gè)基于投入產(chǎn)出價(jià)值量的產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)模型。產(chǎn)業(yè)部門記做節(jié)點(diǎn)ai或者簡(jiǎn)單的記做i，產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)集則表示為A=（a1，a2，…，aN），N為產(chǎn)業(yè)的總數(shù)，即N=|A|；產(chǎn)業(yè)之間即節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間投入產(chǎn)出關(guān)系用邊表示，記作Lij=（Ii，Ij），i，j∈（1，2，…，N）；即對(duì)節(jié)點(diǎn)i來(lái)說(shuō)，邊Iij表示產(chǎn)業(yè)i對(duì)產(chǎn)業(yè)j的投入產(chǎn)出關(guān)系；邊集記做E=（I1，I2，…，IM），邊數(shù)記做M=|E|。因此產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可抽象為一個(gè)由點(diǎn)集A、邊集L組成的圖G={A，L}，復(fù)雜產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)圖G是一個(gè)有向的、加權(quán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。本文以復(fù)雜產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象，利用2010年度投入產(chǎn)出表形成數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行實(shí)證研究。投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)選取產(chǎn)業(yè)門類為42的數(shù)據(jù)，工業(yè)部門總計(jì)24個(gè)產(chǎn)業(yè)部門，具體產(chǎn)業(yè)門類見表1。

以投入產(chǎn)出表的基本流量數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，計(jì)算直接消耗系數(shù)，得到直接消耗系數(shù)矩陣A。計(jì)算矩陣A中非零系數(shù)的平均值，選取平均值以上的直接消耗系數(shù)為產(chǎn)業(yè)間有效關(guān)聯(lián)，在此得到產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)矩陣W。然后對(duì)矩陣進(jìn)行對(duì)稱性和二值化處理等，得到矩陣D。利用Ucinet軟件對(duì)矩陣D進(jìn)行可視化處理，得到圖2-1所示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。圖2中不同的鏈路將不同的產(chǎn)業(yè)部門連接在一起，構(gòu)成了產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，去除非工業(yè)產(chǎn)業(yè)節(jié)點(diǎn)及其與工業(yè)產(chǎn)業(yè)之間的鏈接，得到圖2-2所示的工業(yè)產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析表明，工業(yè)產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)具有小的特征路徑長(zhǎng)度（小于2）與較大的聚類系數(shù)（大于0.5），小世界特性明顯。較小的路徑長(zhǎng)度決定了網(wǎng)絡(luò)的順暢程度，較高聚集系數(shù)決定了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。這主要是由于國(guó)家“十五”以來(lái)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)是以高新技術(shù)和信息化為技術(shù)手段，以推進(jìn)工業(yè)優(yōu)化升級(jí)以及服務(wù)業(yè)的快速發(fā)展為主要內(nèi)容的，因此，近年來(lái)以工業(yè)產(chǎn)業(yè)為主的產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化。

三、 復(fù)雜產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)脆弱性分析

脆弱性思想來(lái)源自20世紀(jì)70年代的自然災(zāi)害研究。隨著研究的不斷深入，脆弱性研究也開始在金融、經(jīng)濟(jì)社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)等人文領(lǐng)域得到應(yīng)用，并且呈現(xiàn)不斷拓展的趨勢(shì)。本文研究的復(fù)雜產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)的脆弱性是指網(wǎng)絡(luò)中薄弱環(huán)節(jié)，其表現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)業(yè)之間的投入產(chǎn)出關(guān)聯(lián)可能會(huì)由于自身發(fā)展以及外部環(huán)境擾動(dòng)等問(wèn)題的影響而發(fā)生問(wèn)題。

（1）復(fù)雜產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)脆弱性分析框架。復(fù)雜產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)的損失是產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)連通性的損失以及單一產(chǎn)業(yè)本身價(jià)值損失的結(jié)合。直觀地說(shuō)，一個(gè)產(chǎn)業(yè)的目標(biāo)價(jià)值應(yīng)該包括其內(nèi)在的價(jià)值以及它對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的價(jià)值。PRA（Probability Risk Assessment），即概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是將節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)價(jià)值定義為givici，其中g(shù)i是節(jié)點(diǎn)的度，vi是節(jié)點(diǎn)的脆弱性，ci為與節(jié)點(diǎn)內(nèi)在價(jià)值相關(guān)聯(lián)的后果。一個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)業(yè)如果有兩條的鏈路將會(huì)有兩倍的價(jià)值，因?yàn)樗膭h除會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)的雙倍損害。Lewis和Al-Mannai使用網(wǎng)絡(luò)度加權(quán)模型來(lái)確定網(wǎng)絡(luò)中哪個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的整體安全最重要。具有最高風(fēng)險(xiǎn)分布的節(jié)點(diǎn)ri=gvc，對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)的安全性最重要，Al-Mannai-Lewis方法被稱為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分析。當(dāng)負(fù)載分布不均勻，即從節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)負(fù)載差異較大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)對(duì)故障就更加脆弱。該效應(yīng)的解釋是，復(fù)雜產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)由于高負(fù)荷節(jié)點(diǎn)故障而向其他（鄰近）節(jié)點(diǎn)傳播并增加臨近節(jié)點(diǎn)負(fù)荷。

假設(shè)將復(fù)雜產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)脆弱性定義成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)/鏈路后果。如圖3所示，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)可被視為一個(gè)杠鈴子圖系統(tǒng)，每一個(gè)杠鈴都對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)貢獻(xiàn)一部分的脆弱性，本文只考慮杠鈴模型中節(jié)點(diǎn)的脆弱性程度，即只對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分析是在整體運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)中確定最為關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)。最重要的節(jié)點(diǎn)是那些要么有許多鏈路要么有大的目標(biāo)價(jià)值從而導(dǎo)致重大的后果的節(jié)點(diǎn)。

（2）工業(yè)產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)脆弱性分析。參考筆者建立的工業(yè)產(chǎn)業(yè)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，利用網(wǎng)絡(luò)層次分析法以及灰色關(guān)聯(lián)分析對(duì)工業(yè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)24個(gè)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)結(jié)果通過(guò)Gephi軟件進(jìn)行可視化處理，如圖4所示，圖中節(jié)點(diǎn)越大，其度數(shù)越大；每個(gè)產(chǎn)業(yè)的脆弱性程度也在圖中標(biāo)示，數(shù)字越大，節(jié)點(diǎn)產(chǎn)業(yè)的脆弱性越高。從各產(chǎn)業(yè)的脆弱性結(jié)果來(lái)看，目前我國(guó)工業(yè)產(chǎn)業(yè)脆弱性在各產(chǎn)業(yè)之間不平衡，化學(xué)工業(yè)、食品制造及煙草加工業(yè)、金屬冶煉及壓延加工業(yè)等基礎(chǔ)工業(yè)產(chǎn)業(yè)脆弱性較低，廢品廢料業(yè)、水的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)等政策依賴性較大的產(chǎn)業(yè)脆弱性較高。

如圖5所示，化學(xué)工業(yè)、食品制造及煙草加工業(yè)、通訊設(shè)備、計(jì)算機(jī)及其他電子設(shè)備制造業(yè)各指標(biāo)脆弱性普遍較低；水的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)以及廢品廢料產(chǎn)業(yè)指標(biāo)脆弱性程度較高。此外，交通運(yùn)輸設(shè)備制造業(yè)、非金屬礦物制品業(yè)、電氣機(jī)械及器材制造業(yè)等產(chǎn)業(yè)指標(biāo)脆弱性集中，各項(xiàng)指標(biāo)發(fā)展相對(duì)比較均衡，多項(xiàng)指標(biāo)的脆弱性值分布在10%～40%區(qū)間內(nèi)，無(wú)明顯脆弱性指標(biāo)；非金屬礦及其他采礦業(yè)、石油加工、煉焦及核燃料加工業(yè)、石油和天然氣開采業(yè)等產(chǎn)業(yè)指標(biāo)脆弱性值較分散，多項(xiàng)指標(biāo)脆弱性值介于90%以上，脆弱性程度明顯。

在復(fù)雜產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，隨著鏈路數(shù)量的增加，節(jié)點(diǎn)上的負(fù)荷也會(huì)增加。其實(shí)，由于其高連通性，hub（中心產(chǎn)業(yè)）對(duì)復(fù)雜產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)的脆弱性影響最大，因?yàn)閯h除hub也會(huì)禁用大部分鏈路，它們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)的破壞方面是最重要的節(jié)點(diǎn)。如果資源有限，最好的策略是保護(hù)度最大的節(jié)點(diǎn)。但這一結(jié)論假設(shè)基于所有節(jié)點(diǎn)與鏈路都有同等價(jià)值，網(wǎng)絡(luò)是同質(zhì)均勻的。復(fù)雜產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)綜合脆弱性是將工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的度數(shù)指標(biāo)、脆弱性指標(biāo)以及總產(chǎn)出指標(biāo)代入R=givici，得出各個(gè)產(chǎn)業(yè)部門的脆弱性的后果。

如表2所示，復(fù)雜產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)業(yè)綜合脆弱性較高的都是傳統(tǒng)工業(yè)產(chǎn)業(yè)，如金屬冶煉及壓延工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、設(shè)備制造業(yè)等，這些產(chǎn)業(yè)往往規(guī)模較大，普遍存在產(chǎn)能過(guò)剩等問(wèn)題。但無(wú)論如何發(fā)展，制造業(yè)始終是提供物質(zhì)基礎(chǔ)的重要生產(chǎn)部門。我國(guó)目前正處于產(chǎn)業(yè)的加速擴(kuò)張時(shí)期，龐大的國(guó)內(nèi)需求的支撐，經(jīng)濟(jì)區(qū)域發(fā)展的不平衡，對(duì)于以基礎(chǔ)原料工業(yè)為主導(dǎo)的重化工業(yè)的需求梯次縱度加深，總量需求巨大，整體上重化工業(yè)時(shí)期持續(xù)時(shí)間將會(huì)更長(zhǎng)。水的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)、燃?xì)馍a(chǎn)和供應(yīng)業(yè)、廢品廢料等產(chǎn)業(yè)整體最弱性程度較低，其中水的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)脆弱性較低的原因是其產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小，而廢品廢料等行業(yè)則可能是由于產(chǎn)業(yè)集中度低且與其他的產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度低等問(wèn)題引起的，這些產(chǎn)業(yè)作為經(jīng)濟(jì)社會(huì)運(yùn)行的資源性產(chǎn)業(yè)或未來(lái)新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大以及對(duì)其他產(chǎn)業(yè)依賴性的增強(qiáng)，其脆弱性也有上升的風(fēng)險(xiǎn)。

四、 結(jié)論及啟示

本文以復(fù)雜產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)為研究目標(biāo)，構(gòu)建了復(fù)雜產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)復(fù)雜產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)脆弱性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：（1）復(fù)雜產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)具有小的特征路徑長(zhǎng)度與較大的聚類系數(shù)，小世界特性明顯；（2）通過(guò)綜合評(píng)價(jià)方法計(jì)算得出的工業(yè)產(chǎn)業(yè)脆弱性在各產(chǎn)業(yè)之間不平衡，化學(xué)工業(yè)、食品制造、金屬冶煉等基礎(chǔ)工業(yè)產(chǎn)業(yè)脆弱性較低，廢品廢料業(yè)、水的生產(chǎn)等政策依賴性較大的產(chǎn)業(yè)脆弱性較高；（3）復(fù)雜產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)業(yè)綜合脆弱性較高的都是傳統(tǒng)工業(yè)產(chǎn)業(yè)，如金屬冶煉、化學(xué)工業(yè)、設(shè)備制造業(yè)等，這些產(chǎn)業(yè)往往規(guī)模較大，存在產(chǎn)能過(guò)剩等問(wèn)題。水的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)、燃?xì)馍a(chǎn)和供應(yīng)業(yè)、廢品廢料等產(chǎn)業(yè)整體最弱性程度較低，其中水的生產(chǎn)業(yè)脆弱性較低的原因是其產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小，而廢品廢料等行業(yè)則可能是由于產(chǎn)業(yè)集中度低且與其他的產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度低等問(wèn)題引起的。因此，由于現(xiàn)實(shí)中資源的稀缺性，當(dāng)將任一高價(jià)值的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)業(yè)作為目標(biāo)時(shí)，我們必須考慮連通性和節(jié)點(diǎn)的后果值，在最不關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)業(yè)上的隨機(jī)防范風(fēng)險(xiǎn)是浪費(fèi)的。

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作者簡(jiǎn)介：宗剛，北京工業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師；韓建飛，北京工業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院博士生；陳鳴，北京工業(yè)大學(xué)循環(huán)經(jīng)濟(jì)研究院碩士生。

收稿日期：2014-02-15。